由碳纳米管和石墨烯构成的室温下飞牛级力分辨率的片上扭秤
2021年3月19日
扭秤是一种古老的科学测量仪器，至今仍然作为精密传感器在众多应用和研究领域里发挥重要作用。它的灵敏度正比于平衡臂和悬丝的长度，而反比于悬丝直径的四次方，因此减小悬丝直径是实现高灵敏度扭秤的最高效的方法，同时也要尽可能增大悬丝和平衡臂的长度。传统的扭秤普遍使用石英、钨、铜铍等材料作为悬丝，然而这些材料直径的进一步减小受制于加工工艺和表面效应。碳纳米管是目前已知的拥有最高机械强度的最细材料，特别是近年来发展出的超长碳纳米管尤其适合作为超灵敏扭秤的悬丝。然而单根碳纳米管的强度仍不足以悬起宏观尺度的镜子。因此如何把镜子做到纳米级的厚度和宏观尺度的长宽也是一个挑战。
最近，清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室博士生丛琳和袁子等同学在北京师范大学白在桥副教授、南京航空航天大学郭万林院士、清华大学物理系姜开利教授等老师们的指导下，发展出由碳纳米管和石墨烯构成的室温下飞牛级力分辨率的片上扭秤。扭秤由单根超长碳纳米管为悬丝，以双面镀铝的石墨烯-交叉超顺排碳纳米管复合薄膜为平衡臂和镜子（图 1），可以测量由微弱激光产生的飞牛级光压力。
图1 碳纳米管扭秤的结构示意图。镜子具有铝/石墨烯/交叉超顺排碳纳米管/铝多层结构，悬丝是单根碳纳米管。
在气压为10-6Pa的真空腔内和室温条件下使用碳纳米管扭秤对功率为几微瓦的激光的光压进行了测量，通过对扭转角-时间序列进行分析，获得了碳纳米管扭秤的扭摆频率、悬丝的扭转刚度，结合不同光压下扭秤的扭转角平衡位置，可以获得扭秤力矩随光压的变化关系，实验结果表明碳纳米管扭秤具有飞牛级力分辨率（图 2）。在从10-6Pa至大气压的不同气压下测量的扭转角-时间序列遵循简谐势场的一维布朗运动，随机扭转的动能与热运动能量kBT/2接近。
图2 碳纳米管扭秤测量光压的实验示意图以及典型测量结果。A扭秤的光学读出系统示意图。B扭秤在功率为4.86 μW的激光光压下的扭转角动态响应以及响应的功率谱密度。C扭转频率和扭转角平衡位置与光功率的关系。D力矩与入射光压的关系。
与传统材料制作的扭秤相比，碳纳米管扭秤在测量速度、悬丝扭转刚度以及灵敏度等方面都取得了数量级的进步（图3）。碳纳米管扭秤的片上制备方式和百微米级尺寸使它很容易整合到芯片中，作为室温下飞牛级力分辨率的传感器，为探测微弱效应和发现新的物理规律等基础研究提供研究平台。
图3 碳纳米管扭秤与经典扭秤的对比图。在对比悬丝扭转刚度和力臂长度的同时，也比较了由L/2k所定义的灵敏度。由浅至深的平行线表示灵敏度的数量级从2至13。灵敏度数量级相同的扭秤以相同颜色标记。
这一工作已于2021年3月17日在《Science Advances》杂志上在线发表（On-chip torsion balances with femtonewton force resolution at room temperature enabled by carbon nanotube and graphene）。清华大学物理系博士生丛琳同学为论文的第一作者，袁子同学、高新雨同学、北京航空航天大学的王新河副教授、中电58所赵伟工程师、清华大学物理系胡小鹏高级工程师、柳鹏副研究员、李群庆研究员、范守善院士共同参与了该项研究。北京师范大学白在桥副教授、南京航空航天大学郭万林院士、清华大学物理系姜开利教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（51727805和51788104）、国家重点研发计划（2018YFA0208400）、以及北京市未来芯片技术高精尖创新中心（ICFC）的资助。